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GE帶冷卻通道的3D打印發(fā)動機零件-渦輪葉片翼型專利通過

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渦輪發(fā)動機，特別是燃氣或燃氣渦輪發(fā)動機，通過發(fā)動機的多個旋轉(zhuǎn)渦輪葉片上的燃燒氣體流中提取能量，這些渦輪葉片分布在多個渦輪葉片組件中。出于空氣動力學方面的考慮，葉片的葉身型面通常都設(shè)計成復(fù)雜的自由曲面，且對其制造精度要求極高，而3D打印在成型與控性方面為葉片的制造帶來了新的革命。

減少裂紋發(fā)生

在渦輪發(fā)動機葉片的運轉(zhuǎn)過程中，裂紋是葉片的致命缺陷，葉片的發(fā)展趨勢是采用更耐高溫的鎳基合金，而且冷卻設(shè)計越來越復(fù)雜，冷卻效果的要求越來越高，同時采用高效的隔熱涂層。而3D打印通過實現(xiàn)更均勻可控的晶體組織、更耐高溫的復(fù)合材料、更復(fù)雜的葉片冷卻通道、與金屬基體結(jié)合更緊密的隔熱涂層，從而提升了葉片的性能，更有效的避免裂紋發(fā)生。

航空發(fā)動機作為航天飛行器的核心部件，決定發(fā)動機關(guān)鍵性能的渦輪葉片成為研究的重中之重。一臺航空發(fā)動機的推動力與渦輪機前沿進氣口溫度密切相關(guān)，渦輪葉片的承溫能力則決定了整臺發(fā)動機的推動力，而提高渦輪葉片承溫能力的方法主要有兩種，一種是探索性能更優(yōu)化更穩(wěn)定的高溫合金；另一種是探索具備復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)的葉片冷卻技術(shù)。

空心和帶冷卻孔的結(jié)構(gòu)改進了原始渦輪葉片的冷卻方式，這種結(jié)構(gòu)能夠有效提高渦輪葉片的承溫能力，從而有效提高發(fā)動機的工作溫度，這種更為高效的氣冷方式是目前的研究重點。通過復(fù)雜氣冷內(nèi)腔結(jié)構(gòu)改善渦輪葉片散熱能力已成為先進發(fā)動機制造的關(guān)鍵。

根據(jù)《中國工程科學》1，葉片在結(jié)構(gòu)上主要由葉身、緣板和榫頭這三部分組成。葉身型面是葉片的主體，其形狀通常都設(shè)計成具有高氣動性能的空間自由曲面；榫頭部分用于實現(xiàn)葉片在轉(zhuǎn)子輪盤上的固定，也稱為葉根；緣板為葉身型面和葉根榫頭之間的過渡部分。葉片通過其葉根榫頭與轉(zhuǎn)子輪盤上對應(yīng)輪槽的配合，將工作介質(zhì)作用于葉身型面上的力傳遞給轉(zhuǎn)子主軸，進而驅(qū)動外界負載實現(xiàn)功率的輸出。

更好的冷卻

GE的專利詳細闡述了固定葉片和圍繞發(fā)動機燃燒器的燃燒器襯套的噴嘴也可以利用冷卻孔或蛇形回路來實現(xiàn)更好的冷卻，從而避免裂紋。

蛇形回路可以是延伸到沿著葉片的多個表面中的任何一個設(shè)置的冷卻孔，包括在尖端、后緣和前緣處。前緣冷卻氣流的方向則會影響渦輪機翼型的耐用性。冷卻流體流從內(nèi)部沿第一方向流過冷卻孔的彎曲通道，從冷卻孔流出。沿第一方向會聚冷卻流體流并同時沿垂直于第一方向的第二方向發(fā)散冷卻流體流，第一和第二方向都位于垂直于流動方向的平面內(nèi)，最后在靠近發(fā)動機部件的停滯線的位置處排出冷卻流體。

更好的葉片

更安全穩(wěn)定的葉片讓GE的發(fā)動機獲得了更多的競爭優(yōu)勢，GE采用EBM 3D打印技術(shù)制造渦輪葉片，用電子束作為其能量源逐層融化金屬粉末，粉末材料為先進的航空航天材料鈦鋁（TiAl）制造。這種材料比常用于低壓渦輪葉片的鎳基合金輕50％左右。與其前身GE90發(fā)動機相比，這意味著燃油消耗降低了10％（排放量也隨之降低），GE9X的重量減輕約200公斤。

采用全新材料、冷卻技術(shù)、氣動力設(shè)計的GE9X發(fā)動機是波音777X系列飛機的唯一選型發(fā)動機，GE9X是通用創(chuàng)新研發(fā)的集大成之作，其60:1的增壓比創(chuàng)下燃氣渦輪航空發(fā)動機歷史之最。GE航空旗下的Avio Aero在意大利的Cameri工廠負責生產(chǎn)新型GE9X發(fā)動機的渦輪葉片，并不斷添加新設(shè)備以提高3D打印葉片的生產(chǎn)能力。隨著GE專利的快速布局，GE在發(fā)動機的冷卻方面搭建了更高的競爭壁壘，根據(jù)3D科學谷的市場觀察，GE涵蓋了方方面面的發(fā)動機冷卻專利，例如：叉指式渦輪發(fā)動機空氣軸承冷卻結(jié)構(gòu)和熱管理方法專利，渦輪發(fā)動機的傾斜燃燒器專利，燃油噴嘴專利，3D打印燃料噴射器和冷卻系統(tǒng)專利，3D打印帶冷卻通道的一體化渦輪機罩，多層外壁的渦輪機葉片翼型等等。